CN104215672A - 一种土壤养分快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤养分快速检测方法，包括：在待测土壤样本中加入去离子水，均匀混合得到样本液，所述样本液经过浸提、过滤得到土壤速效养分浸提液；采用离子选择性电极和参比电极测量并计算得到所述土壤速效养分浸提液中被测离子的浓度，从而得到被测离子的含量；其中，所述离子选择性电极和所述参比电极使用前采用已知浓度的溶液进行校正。该方法基于校正后的离子选择性电极与参比电极在土壤速效养分浸提液中测量得到的电位，构建能斯特方程计算被测离子的浓度，从而计算得到被测离子的含量，不再需长时间的活化操作，即不需复杂的样本前处理操作，可以实现田间现场检测，样本检测速度快，缩短检测周期，提高检测效率。

Description

一种土壤养分快速检测方法

技术领域

本发明涉及土壤检测技术领域，特别涉及一种土壤养分快速检测方法。

背景技术

土壤养分状况是影响作物的产量和品质的关键因素，为保证农业生产的可持续发展，近年来测土配方施肥技术已经在全国各地广泛推广。测土配方施肥本质上是一种精细的施肥管理方法，根据土壤类型、作物特性和肥料性质，协调土壤供肥能力、作物需肥量和肥料养分含量之间的关系，科学合理地确定施肥的种类、数量、时间以及方法等，更加有利于作物的正常生长，且不会造成土壤的对某种养分的富集。一般测土配方过程中有三个主要环节：土壤测试、肥料配置和科学施肥，其中土壤测试是测土配方施肥的基础，通过田间采集土壤样本，利用土壤测试设备和技术，获取土壤养分信息。

目前，在土壤养分的常规检测过程中多数情况下仍然沿用常规的实验室检测方法，包括：土壤酸碱处理或浸提后，利用凯氏蒸馏法、碱解扩散法等测氮素，或者借助火焰光度法或原子吸收分光光度计来测定土壤速效钾的含量。这类实验室内的检测方法操作复杂，时间长。土壤待测样本数量比较大时需要大量的人力物力。国内外现在使用的土壤速测仪根据测试原理的不同可划分为两大类，一类是基于光谱原理的土壤养分速测仪器，通过比色定性分析土壤养分状况。例如，基于光谱检测技术实现土壤养分检测，或通过采集透射光和反射的图谱来分析土壤的养分含量，或者通过建立土壤氮素预测模型，利用几个波段的土壤光谱吸光度建立近红外光谱数据与土壤样本氮素含量的回归方程，从而准确测量土壤氮素水平。另一类主要是基于电化学原理的离子选择电极的电子土壤检测方法，通过离子选择膜分离待测离子与干扰离子，主要应用在生物分析、药品分析、工业分析、环境监测等领域。离子选择性电极法是根据被测样本池的电动势与待测离子浓度之间服从能斯特方程，通过测量电动势计算溶液中待测离子浓度的方法，现有技术中常常采用固态离子选择性膜的微电极进行土壤养分检测。

但是上述两类测试方法均存在一定的缺陷，基于光谱原理的土壤养分快速检测方法，一般由高精度光路系统组成的测试系统，样本前处理要求较高，尤其对土壤浸提液的颜色要求较高，如果在田间进行检测则操作不便，不易满足田间现场快速检测的需求。电化学原理检测方法由于采用固态离子选择性膜，电极使用前需要30分钟以上的活化操作，以便使离子饱和电极，检测信号更强，更灵敏，但是在田间现场的快速检测过程中要完成活化操作也很不方便。因此，现有技术中提供的检测方法耗时长，操作复杂，导致检测效率低。

发明内容

为了实现快速检测样本，解决现有土壤养分快速检测方法样本前处理操作复杂，检测周期较长的技术问题，本发明提供了一种土壤养分快速检测方法，包括：

在待测土壤样本中加入去离子水，均匀混合得到样本液，所述样本液经过浸提、过滤得到土壤速效养分浸提液；

采用离子选择性电极和参比电极测量并计算得到所述土壤速效养分浸提液中被测离子的浓度，从而得到被测离子的含量；

其中，所述离子选择性电极和所述参比电极使用前采用已知浓度的溶液进行校正。

可选地，所述去离子水的体积为所述待测土壤样本体积的10±2倍。

可选地，浸提时间为15～30分钟。

可选地，所述离子选择性电极为玻璃微电极，所述玻璃微电极的口径长度为5～8μm。

可选地，所述玻璃微电极的前端灌充有预设长度的第一液柱，所述第一液柱为被测离子的液态离子交换剂，所述玻璃微电极的后端灌充有预设长度的第二液柱，所述第二液柱为电解液，且所述电解液的成分与被测离子的液态离子交换剂的成分不同。

可选地，所述第一液柱的预设长度为20～200μm，所述第二液柱的预设长度为15～20mm。

可选地，所述参比电极为固体电极。

可选地，所述离子选择性电极和所述参比电极使用前采用已知浓度的溶液进行校正具体包括：

将所述离子选择性电极和参比电极同时置于已知浓度的溶液中，分别得到离子选择性电极的电位和参比电极的电位；

根据能斯特方程E＝S*lgC+T和所述离子选择性电极的电位和所述参比电极的电位计算得到斜率，其中E为所述离子选择性电极的电位，C为已知浓度，T为截距，S为斜率，如果所述斜率的范围满足58±5，则校正完成。

可选地，所述采用离子选择性电极和参比电极测量并计算得到所述土壤速效养分浸提液中被测离子的浓度，从而得到被测离子的含量具体包括：

将所述校正后的离子选择性电极和参比电极置于所述土壤速效养分浸提液中稳定获取1～5分钟的电势，求得平均电位E₀；

根据所述平均电位E₀计算得到所述土壤速效养分浸提液中被测离子的浓度C₀，公式为C₀＝10^((E₀-T)/S)；

再根据所述待测土壤样本的重量m和去离子水的体积v计算得到所述待测土壤样本中被测离子的含量P，公式为P＝C₀*v*M/m，其中M为被测离子的分子量。

可选地，所述被测离子为氮离子或钾离子。

本发明提供的该方法基于校正后的离子选择性电极与参比电极在土壤速效养分浸提液中测量得到的电位，构建能斯特方程计算被测离子的浓度，从而计算得到被测离子的含量。现有技术中需进行时间长达至少30分钟的活化操作，本方法不需复杂的样本前处理操作和较长的等待时间，可以实现田间现场检测，样本检测速度快，缩短检测周期，提高检测效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种土壤养分快速检测方法的步骤流程图；

图2为本发明步骤S3的具体步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

土壤养分测试的主要对象是氮(N)、磷(P)、钾(K)，均是作物生长的必需营养元素。土壤中氮有两种存在形式：有机氮和无机氮，有机氮占95％以上，但大多数有机氮不能直接被作物吸收；无机氮占1％-5％，主要包括铵态氮(NH₄ ⁺)、硝态氮(NO₃ ^-)和极少的亚硝态氮(NO₂ ^-)。其中有效氮是指可以直接被植物根系吸收的氮，包括游离态、水溶态的一些铵态氮、硝态氮。铵态氮就是指以铵根(NH₄ ⁺)形式存在的氮，硝态氮是指以硝酸根(NO₃ ^-)形式存在的氮，除此之外还包括极少以亚硝酸根(NO₂ ^-)存在的亚硝态氮。铵态氮和硝态氮中游离、水溶的部分就是速效氮。其中有效氮反映土壤近期内的氮元素的供应情况，与作物生长密切相关，对施肥量的合理搭配具有重要意义。而土壤中钾主要以无机形态存在，按照对作物的有效程度也分为速效钾、缓效钾和相对无效钾。水溶性钾是以离子形态存在于土壤溶液中的钾，也是植物根系吸收的最主要的钾形态，对作物生长意义更为直接。

本发明提供了一种土壤养分快速检测方法，步骤流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、在待测土壤样本中加入去离子水，均匀混合得到样本液，所述样本液经过浸提、过滤得到土壤速效养分浸提液。

步骤S2、采用已知浓度的溶液对离子选择性电极和参比电极进行校正。

步骤S3、采用校正后的离子选择性电极和参比电极测量并计算得到所述土壤速效养分浸提液中被测离子的浓度，从而得到被测离子的含量。

需要说明的是，本发明并未将步骤S1和步骤S2的执行顺序限定为仅仅是步骤S1之后进行步骤S2，还可以是先进行步骤S2，再进行步骤S1，得到的检测结果不受影响。总之，步骤S3中应用的离子选择性电极和所参比电极使用前需要利用已知浓度的溶液进行校正。

本方法也是采用电化学方法对土壤中养分进行快速检测，但是与现有的电化学检测方法不同的是，本发明提供的检测方法未采用固态离子选择性膜作为微电极进行离子含量测量，通过利用去离子水对待测土壤样本进行溶解以及浸提、过滤操作，操作简单，省去较长的活化处理时间，克服现有技术中样本前处理复杂的问题，缩短检测周期。

可选地，步骤S1中利用去离子水使得待测土壤样本被溶解，离子水的体积为待测土壤样本体积的10±2倍，加入离子水的体积可根据土壤中速效养分的浓度进行调整，优选10倍。在装有去离子水的容器(一般是三角瓶或者试管)中投入待测土壤样本，摇匀使其充分溶解得到样本液，之后对样本液进行浸提和过滤，浸提的时间为15～30分钟。去离子水就是去除水中的离子后所得的纯净水，由于水中的离子一般为溶解的电解质，包含如钙、镁、钾、钠等阳离子及碳酸根、硫酸根、氯酸根等阴离子，这些电解质的存在会影响检测结果，为避免不良影响，本发明中采用已经去除了阳离子和阴离子的去离子水。

上述方法利用离子选择微电极技术对检测系统进行校正，其中检测系统中包括离子选择性电极、参比电极、信号采集等主要模块，获取的电势单位为mv。其中，离子选择性电极为玻璃微电极，该玻璃微电极的口径长度为5～8μm，玻璃微电极的前端灌充有预设长度的第一液柱，第一液柱为被测离子的液态离子交换剂(LiquidIon-exchange，简称LIX)。具体的，第一液柱的预设长度为20～200μm，该预设长度还可以根据被测离子种类不同而有所差异。基于液态离子交换剂进行检测可以避免现有技术中对固态离子选择性膜使用前进行至少30分钟的活化，更加有利于应用到田间现场的检测。

玻璃微电极的后端还灌充有预设长度的第二液柱，第二液柱为电解液，且电解液的成分与被测离子的液态离子交换剂的成分不同。具体的，第二液柱的预设长度为15～20mm，第二液柱的长度同样根据被测离子种类不同而有所差异。将离子选择性电极固定器上的Ag/AgCl丝从离子选择性电极后面插入，使其与电解液接触。

需要说明的是，其中的参比电极为固体电极，用于测量电极电势时作参照比较的电极。

可选地，步骤S2采用已知浓度的溶液对离子选择性电极和参比电极进行校正具体包括：

首先，将离子选择性电极和参比电极同时置于已知浓度的溶液中，读取两个电极上相应的电位，分别得到离子选择性电极的电位和参比电极的电位。

当与被测离子相应的离子选择性电极与含有该被测离子的溶液接触时，电为E随溶液中的离子活度变化而改变，遵守能斯特(Nernst)方程，也就是电位E与被测离子的浓度对数符合回归方程：E＝S*lgC+T，其中E为离子选择性电极的电位，C为已知浓度，T为截距，S为斜率。因此测得电位之后，根据能斯特方程E＝S*lgC+T和离子选择性电极的电位和参比电极的电位计算得到斜率，如果斜率S的范围满足58±5，则校正完成，经过校正的离子选择性电极和参比电极才能应用于后续步骤的离子浓度的测量。

可选地，步骤S3的步骤流程如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤S31、将校正后的离子选择性电极和参比电极置于土壤速效养分浸提液中稳定获取1～5分钟的电势，求得平均电位E0。

步骤S32、根据平均电位E₀计算得到土壤速效养分浸提液中被测离子的浓度C₀(单位为mM)，公式为

C₀＝10^((E₀-T)/S)               公式(1)

步骤S33、再根据待测土壤样本的重量m(单位为g)和去离子水的体积v(单位为ml)计算得到待测土壤样本中被测离子的含量P(单位为mg/kg)，公式为

P＝C₀*v*M/m           公式(2)

其中M为被测离子的分子量。

需要说明的是，本发明中的被测离子为氮离子或钾离子，土壤速效养分浸提液中包含有效氮和/或有效钾。

以下为根据上述方法利用离子选择微电极技术来检测土壤样本中的铵态氮的含量的一个具体实施例，整个操作流程为：

首先，称取一定量的待检测土壤样本，分别从空闲地1、小麦田2、玉米田3和花卉栽培专用营养土4，每种土壤取2份样本，每份样本的重量为3～10g，本实施例中优选的从每份样本中称取4g土壤。

之后，在盛有样本的试管中分别加35ml去离子水，混匀，进行样本浸提，每5分钟震荡一次，重复3次进行，15分钟后，经滤纸过滤，得到的滤液为土壤速效养分待测液。共计得到24份土壤速效养分浸提液，对其分别依次编号为1-1-1，1-1-2，1-1-3，1-2-1……3-2-3，其中编号1-1-1表示从空闲地1中获取第一份样本经过第一次浸提得到的土壤速效养分浸提液，其余同理。

该检测方法可以利用非损伤微测系统(BIO-001B)或其他能够获取到mv级电势信号的采集设备。其中的离子选择性电极为玻璃微电极，电极前端灌充50μm的NH₄ ⁺离子的液态离子交换剂液柱，后端灌充有15～20mm左右的100mM NH₄Cl电解溶液，将电极固定架上的Ag/AgCl丝从电极后面插入，使其与电解液接触。

将参比电极和离子选择性电极同时放入不同已知浓度的校正液中读取相应的电位(参见表1)，根据能斯特方程，可求得斜率S为57.3，截距T为-87.31，由于斜率在53～60的范围内，表明电极正常，可以用于检测。

单位	校正液1	校正液2	校正液3
				浓度(mM)	0.01	0.1	1
电位(mV)	-201.6	-145.21	-87

表1校正参数

将参比电极和离子选择性电极同时置入待检测的土壤速效养分待测液中，每份土壤速效养分待测液稳定测试3分钟，记录3分钟内获取的该溶液的电位，取其平均值，作为该份样本的电位，根据公式(1)计算得到浓度C，再根据公式(2)计算为每公斤土壤中的铵态氮含量。之后对实验结果进行分析，测试结果参见表2。

表2测试结果对比

由表2可以看出，利用基于液态离子交换剂的离子选择性电极检测的土壤速效铵态氮的含量与利用国标方法检测的结果基本吻合。营养土中的铵态氮含量显著高于农田中铵态氮含量，该方法重复性好，数据可靠，而且土壤样本的前处理简单快捷，便于实现田间现场检测，因此，利用液态离子选择性电极检测土壤中的速效养分是一种可靠的土壤养分快检方法。

综上所述，本发明提供的土壤养分快速检测方法，基于液态离子交换剂的离子选择性电极检测技术，土壤在短时间浸提后就可以实现速效氮和速效钾的检测，检测速度快。现在技术中单个样本的前处理时间为30分钟以上，甚至一些前处理需要耗时至少1小时；利用本发明的检测方法使得单个样本的前处理15分钟内完成，检测耗时1～5分钟，大大缩短检测周期，能够实现土壤速效氮和速效钾的快速检测，相对于常规的化学检测方法来说，该方法样品前处理简单快捷，样本检测速度快，效率高。同时检测结果具有灵敏度高、检测精度受溶液颜色沉淀影响较小的特点，更易于实现田间现场检测。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种土壤养分快速检测方法，其特征在于，包括：

在待测土壤样本中加入去离子水，均匀混合得到样本液，所述样本液经过浸提、过滤得到土壤速效养分浸提液；

采用离子选择性电极和参比电极测量并计算得到所述土壤速效养分浸提液中被测离子的浓度，从而得到被测离子的含量；

其中，所述离子选择性电极和所述参比电极使用前采用已知浓度的溶液进行校正。

2.根据权利要求1所述的土壤养分快速检测方法，其特征在于，所述去离子水的体积为所述待测土壤样本体积的10±2倍。

3.根据权利要求1所述的土壤养分快速检测方法，其特征在于，浸提时间为15～30分钟。

4.根据权利要求1所述的土壤养分快速检测方法，其特征在于，所述离子选择性电极为玻璃微电极，所述玻璃微电极的口径长度为5～8μm。

5.根据权利要求4所述的土壤养分快速检测方法，其特征在于，所述玻璃微电极的前端灌充有预设长度的第一液柱，所述第一液柱为被测离子的液态离子交换剂，所述玻璃微电极的后端灌充有预设长度的第二液柱，所述第二液柱为电解液，且所述电解液的成分与被测离子的液态离子交换剂的成分不同。

6.根据权利要求5所述的土壤养分快速检测方法，其特征在于，所述第一液柱的预设长度为20～200μm，所述第二液柱的预设长度为15～20mm。

7.根据权利要求1所述的土壤养分快速检测方法，其特征在于，所述参比电极为固体电极。

8.根据权利要求1所述的土壤养分快速检测方法，其特征在于，所述离子选择性电极和所述参比电极使用前采用已知浓度的溶液进行校正具体包括：

将所述离子选择性电极和参比电极同时置于已知浓度的溶液中，分别得到离子选择性电极的电位和参比电极的电位；

根据能斯特方程E＝S*lgC+T和所述离子选择性电极的电位和所述参比电极的电位计算得到斜率，其中E为所述离子选择性电极的电位，C为已知浓度，T为截距，S为斜率，如果所述斜率的范围满足58±5，则校正完成。

9.根据权利要求8所述的土壤养分快速检测方法，其特征在于，所述采用离子选择性电极和参比电极测量并计算得到所述土壤速效养分浸提液中被测离子的浓度，从而得到被测离子的含量具体包括：

将所述校正后的离子选择性电极和参比电极置于所述土壤速效养分浸提液中稳定获取1～5分钟的电势，求得平均电位E₀；

根据所述平均电位E₀计算得到所述土壤速效养分浸提液中被测离子的浓度C₀，公式为C₀＝10^((E₀-T)/S)；

再根据所述待测土壤样本的重量m和去离子水的体积v计算得到所述待测土壤样本中被测离子的含量P，公式为P＝C₀*v*M/m，其中M为被测离子的分子量。

10.根据权利要求1或9所述的土壤养分快速检测方法，其特征在于，所述被测离子为氮离子或钾离子。